Mikroturbogeneratory_dlya_raspred_enerosistem

Микротурбогенераторы для распределенных энергетических
систем
Экономически
жизнеспособная,
экологически безопасная и устойчивая
к
внешним
воздействиям
энергетическая система, по мнению
специалистов, должна удовлетворять
следующим критериям:
1.
2.
Ее конструкция должна обеспечивать высокую техническую надежность производства энергии.
Система распределения и доставки энергии потребителям должна быть мало уязвимой для вредных
воздействий природных явлений и человеческого фактора.
3.
Она должна быть безопасной и мало трудоемкой в эксплуатации.
4.
Коэффициент использования топлива должен быть максимально возможным.
5.
Выбросы вредных веществ, загрязняющих окружающую среду, должны быть минимальны.
6.
Стоимость
такой
системы
должна
быть
разумной,
соответствовать
уровню
развития
экономики
и
определяться как сумма расходов всем периодам ее жизненного цикла.
7.
Высокая живучесть системы должна обеспечивать выполнение основных функций при сбоях поставки
топлива, передачи энергии, других аварийных ситуациях.
Одним из направлений развития энергетики, обеспечивающим выполнение указанных
требований, являются распределенные энергетические системы. Принципиальный подход к
созданию распределенных систем состоит в развитии местного производства энергии и
применении когенерационных установок для совместного производства двух видов энергии:
тепла и электричества.
Необходимо сразу заметить, что распределенные энергетические системы не являются
альтернативой
традиционной
"большой"
энергетике.
Автономное
энергоснабжение,
независимое от централизованных сетей, существовало всегда и во всех странах. Проблема
независимости и автономности в российском варианте встала с новой силой в силу
объективных причин, главной из которых является рост рисков бесперебойности и
достаточности
энергообеспечения
в
связи
с
объявленной
реформой
энергетики
и
техническим состоянием ее основных фондов. На фоне начавшегося экономического роста
промышленные, сельскохозяйственные, коммунальные предприятия вполне естественно
озаботились
задачей
минимизации
производства.
Потребителей
устойчивость
электроснабжения.
этих
волнует
рисков
будущее
Ряд
с
целью
поведение
крупных
сохранения
тарифов,
потребителей
устойчивости
надежность
считают
и
гарантией
энергетической стабильности своих компаний организацию независимого автономного
производства электрической и тепловой энергии.
Другим важным стимулом развития так называемой "малой" энергетики является
наличие огромных территорий, не охваченных электрическими сетями, удаленных от
крупных
электростанций.
Ряд
районов
имеет
местные
источники
энергоносителей
(углеводородное сырье, биоресурсы и другие), которые зачастую просто сжигаются
(попутный газ) и не используются из-за отсутствия соответствующей технологии или
вследствие установленной структуры регулируемых цен.
Особенностью
использования
российской
топлива,
энергетики
особенно
также
природного
газа,
является
по
низкий
сравнению
с
коэффициент
развитыми
в
техническом отношении странами.
©Компания ТехноКластер/КТК
1
Повышение
коэффициента
использования
газового топлива в целом по стране посредством
совершенствования
газоиспользующего
энергетического оборудования является важной, но
не
единственной
задачей
оптимального
использования природных ресурсов.
В
настоящее
время
много
энергоресурсов
теряется непосредственно в местах нефтедобычи в
виде попутного газа, часто просто сжигаемого в
атмосфере.
Не
терять
энергию
в
факеле,
а
превратить ныне бросовое сырье в ценный продукт
— электроэнергию. Такую задачу ставят многие
российские
проблемы
нефтегазовые
утилизации
компании.
попутного
Решение
нефтяного газа
направлено на оптимизацию структуры потребления
электроэнергии
прибылей
и
за
получение
счет
дополнительных
создания
собственных
электрогенерирующих мощностей.
Газодобывающие компании также располагают огромными остаточными запасами
низконапорного газа, который экономически невыгодно транспортировать, но можно
использовать как топливо для выработки дешевой электроэнергии и тепла в промысловых
районах.
Решение этих задач должно основываться только на уже испробованных и испытанных
технологиях, которые получат достаточно широкомасштабнoe распространение и окажут
значительное влияние на эффективность энергопотребления и на структуру производства
энергии в течение ближайших десятилетий.
Одна из таких технологий малой энергетики базируется на применении микротурбин
Capstone.
При производстве электроэнергии непосредственно в местах потребления или близко к
ним
полностью
устраняется
или
существенно
снижается
потребность
в
сетевой
инфраструктуре и связанные с ней затраты. Сегодня капитальные затраты на получение 1
кВт электроэнергии с помощью микротурбин стали сравнимы с традиционными решениями —
большими электростанциями. Одновременно с этим системы на базе микротурбин имеют
целый ряд преимуществ. Затраты на их эксплуатацию значительно меньше, и себестоимость
собственной
электроэнергии
оказывается
существенно
ниже
сетевой.
Кроме
этого,
установки на базе микротурбин очень компактны и в то же время легко масштабируются, не
требуют
долгосрочного
строительства,
прокладки
дорогостоящих
сетей.
Ввод
в
эксплуатацию осуществляется в течение нескольких недель или месяцев, а не длится
годами.
Стоимость
одной
микротурбины
сравнима
со
стоимостью
прокладки
одного
километра электрических сетей. При использовании микротурбин улучшается качество и
непрерывность
наращивания
энергоснабжения,
мощностей,
появляется
достигается
возможность
практически
резервирования
абсолютная
и
гибкого
надежность
при
использовании кластеров (групп) турбин, когда выход из строя одной приводит к потере
лишь небольшой части мощности.
Микротурбины позволяют производить электричество из природного газа, попутных
нефтяных
газов,
метана
угольных
шахт
и других видов
газов. Важным свойством
микротурбины является ее способность работать на высокосернистых газах, содержащих до
7% сернистого водорода (H2S) с низкой или переменной теплотой сгорания. Российские
нефтегазовые
компании
имеют
огромное
количество
зачастую
не
используемого
практически бесплатного топлива, которое может эффективно работать. У нефтяников это
©Компания ТехноКластер/КТК
2
попутный газ, у газовиков — как основная продукция, так и низконапорный газ, нередко
остающийся в пластах. За счет использования распределенных сетей из микротурбин могут
быть
оптимизированы
системы
энергоснабжения
нефтяных
компаний,
выстроены
генерирующие мощности при освоении удаленных месторождений. С помощью микротурбин
могут функционировать системы питания насосных станций, котрольно-измерительное
оборудование трубопроводов, передвижные и стационарные электростанции вахтовых
поселков.
Микротурбины можно устанавливать непосредственно у скважин, использовать газ
затрубного пространства. Они просты в монтаже. Высокая степень автоматизации и
надежность системы управления обеспечивают работу установок в автоматическом режиме,
без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Система сама контролирует
параметры работы и при возникновении нештатной ситуации может выключить установку и
запомнить причину отключения.
Высокие технические и эксплуатационные характеристики микротурбин Capstone
являются
следствием
оригинальной
конструкции
и
тщательной
проработки
всех
конструктивных элементов и узлов с использванием новейших достижений в области
материаловедения, термодинамики, электротехники, управления и механики. Обширные
полевые испытания десятков прототипов, доводка всех элементов в течение десяти лет
позволили
в
1998
Совершенствование
году
и
представить
разработка
рынку
новых
законченный
вариантов
коммерческий
базовой
модели
продукт.
непрерывно
продолжается с учетом опыта промышленной эксплуатации в различных условиях и
применениях более 3000 установок.
25 ноября 2003 года компания Capstone Turbine официально зафиксировала, что
общая наработка микротурбинных генераторов, установленных по миру, превысила рубеж в
5 миллионов часов, что эквивалентно 570 годам непрерывной работы.
По состоянию на 01 января 2009 года эта цифра уже составила 20 миллионов
часов, или, что тоже самое, более 2000 лет при расчёте по максимальной загрузке
оборудования, то есть 24 часа в сутки и все 365 дней в году
В конструкции турбины реализован огромный интеллектуальный капитал в виде 60
патентов на изобретения и 100 заявок на получение новых патентов.
Турбина выполнена в виде конструкции с одной движущейся деталью — вращающимся
валом, на котором соосно расположены электрический генератор, компрессор и сама
турбина. Особенностью микротурбин является непосредственная передача мощности от
турбины к генератору без использования редуктора. Высокоскоростной вал вращается со
скоростью
96000
воздушными
оборотов
подшипниками,
обслуживания.
Их
в
минуту
которые
устройство
при
не
является
номинальной
требуют
нагрузке
жидкой
защищенной
смазки
патентами
и
поддерживается
и
периодического
интеллектуальной
собственностью фирмы Capstone Turbine Corporation. Другим замечательным свойством
турбины является компоновка всех основных узлов. В одном небольшом по габаритам
объеме размещены компрессор, камера сгорания, рекуператор, непосредственно турбина и
постоянные магниты электрогенератора. Генератор охлаждается набегающим потоком
воздуха, что исключает необходимость в системе жидкостного охлаждения. Эти и ряд других
конструкторских особенностей во многом определяет высокие потребительские свойства
установки. В частности, установка работает без вибраций, не излучая большого шума в
окружающее пространство даже без применения специальных шумопоглощаюших кожухов.
Тщательные рабочие испытания и опыт эксплуатации турбины показали надежную
работу топливной системы и камеры сгорания, которая пригодна для работы на разных
видах топлива: природный, шахтный, сжиженный, попутный газы, причем, с весьма высоким
содержанием сероводорода, биогаз, а так же жидкое дизельное топливо и керосин. Низкие
©Компания ТехноКластер/КТК
3
требования к качеству топлива (загрязненности примесями) сочетаются с отличными
характеристики
по
выбросам
вредных
продуктов
сгорания,
которые
были
продемонстрированы в ходе специальных испытаний и подтверждены соответствующими
сертификатами официальных органов по охране окружающей среды. Уровень их столь
низок, что устанавливает новые экологические стандарты для малых электростанций.
Высокоскоростной
генератор
производит
высокочастотный
ток,
который
конвертируется в постоянный ток, а затем преобразовывается в выходной ток номинальной
частоты и напряжения. Электрическая система обеспечивает высокое качество выходного
напряжения
искажений
с точки зрения стабильности, амплитуды, частоты, синусоидальности и
в
соответствии
с
международными
стандартами
ISO.
Это очень важное
потребительское свойство для многих применений.
Контроль и управление микротурбиной осуществляются микропроцессорной системой
автоматического
управления.
Благодаря
высокой
степени
автоматизации
и
высококачественной и надежной системе управления, установка работает в безлюдном
режиме, не требуя постоянного присутствия персонала при нормальном режиме работы.
В случае критической ситуации система автоматически выключает установку и
запоминает причину аварийного отключения. Система управляет режимами автоматического
пуска, остановки, контроля за параметрами работы, поступающими с датчиков расхода
топлива, температуры, уровня вибрации, скорости вращения, электрической нагрузки и т. д.
В цифровой системе управления реализованы сложные алгоритмы управления, которые
поддерживают устойчивую работу установки и многофунциональность применения с точки
зрения пользователя. В частности, предусмотрена возможность автоматического запуска при
пропадании напряжения в сети при использовании микротурбины в качестве резервного
источника
электроэнергии.
Система
управления
обеспечивает
работу
в
полностью
автономном варианте и в режиме совместной работы с сетью для снятия пиковых нагрузок и
передачи дополнительной электроэнергии в сеть. Система управления оснащена пультом
оператора
для
ручного
управления
и
программирования
различных
режимов
функционирования. Достоинством системы является функция удаленного управления через
каналы связи и сети интернет/интранет, которая наряду с другими решает задачу
координированного управления группами установок, расположенными в разных местах, но
работающими как единое целое.
Для первоначального пуска турбины установка снабжена аккумуляторными батареями.
Любая
энергоустановка
"Capstone"
обеспечивает
работу
в
широком
диапазоне
мощностей — от 0 до 100% и оснащается (по желанию заказчика) модемом для
непосредственной электронной связи с заводом-изготовителем
или с любым другим
диспетчерским пунктом.
Применение нескольких энергоустановок "Capstone" (объединенных единой системой
автоматики)
для
наращивания
мощности,
гарантирует
надежное
и
гибкое
энергообеспечение.
Кроме этого, системой автоматики при объединении в кластер -энергетическую
станцию (предусмотрено до 100 энергоустановок), обеспечивается одинаковая наработка
моточасов каждой установки, тем самым повышая общий ресурс энергетической станции.
Для оснащения своих энергоустановок фирма "Capstone" сама изготавливает всю
автоматику, системы управления и КИП, соответствующую мировым стандартам.
В настоящее время каталог фирмы "Capstone Micro Turbine™" содержит около 60
вариантов исполнения энергоустановок, различающихся значениями девяти признаков
©Компания ТехноКластер/КТК
4
комплектации, сочетание которых определяет конкретное изделие. Такое разнообразие
вариантов комплектации выпускаемой продукции призвано удовлетворить потребности
самых широких слоев потребителей. Варианты индивидуальных корпусов могут быть
различными,
а
индивидуальный
арктический
контейнер
оборудуется
каталитическим
газовым обогревателем и каплеотбойником. В зависимости от размера контейнера в нем
могут быть смонтированы 2, 3 и более микротурбин без кожуха в соответствии с требуемой
мощностью. Микротурбины могут быть также смонтированы на колесном шасси.
Выхлоп
микротурбин
является
экологически
чистым,
что
подтверждается
сертификатами соответствия, в том числе наиболее строгими Калифорнийскими (эмиссия
NOx (оксиды азота) < 0.2 кг на МВт·час, CO (угарный газ) < 1.3 кг, другие летучие
органические соединения < 0.4 кг). Благодаря тому, что выхлоп одной микротурбины
содержит
до
120
теплообменниками
отопления
кВт
и
тепловой
энергии
климатическими
(кондиционирования)
производительность
такой
(модель
системами,
возможно
используемыми
помещений,
когенерационной
С60),
сушки
системы
сопряжение
для
нагрева
продукции.
может
воды,
При
достигать
с
этом
96%
при
одновременном снижении приведенной стоимости одного кВт часа электроэнергии до уровня
30-35 коп (с учетом стоимости оборудования и обслуживания микротурбины, а также
расходов на природный газ).
Подключение микротурбины производится в двух режимах — параллельно с сетью, и
тогда
микротурбина
играет
роль
основного
или
дополнительного
источника
тока,
автоматически настраивающегося на параметры сети по напряжению (360 — 520 В,
трехфазное) и частоте (45 — 65 Гц) или автономное. При автономном подключении
микротурбина снабжена аккумуляторными батареями, которые позволяют производить
запуск генератора и являются буфером для сглаживания колебаний потребления нагрузки.
С помощью дополнительного контроллера возможно построение схемы автоматического
переключения
режимов
работы
для
обеспечения
гарантированного
энергоснабжения
объектов.
Регламент обслуживания микротурбин предполагает долговременную эксплуатацию в
постоянно
включенном
режиме
работы
или
в
режиме
периодического
включения/выключения. Общий ресурс работы до капитального ремонта составляет 64000
часов. При этом каждые 8000 часов необходимо менять воздушный и топливный фильтры,
каждые 16000 часов — инжекторы. Микротурбина не требуют охлаждающих жидкостей,
смазывающих масел или других химически опасных расходных материалов для своей
работы. Управление работой микротурбины производится со встроенного пульта или
удаленно с диспетчерского компьютера.
Микротурбина
предназначена
для
производства
решения
компании
локальных
задач
Capstone
Turbine
энергоснабжения.
Corporation
Ее
(США)
применяют
для
сглаживания пиковых нагрузок при параллельной работе с централизованной сетью, для
оперативного наращивания дополнительных генерирующих мощностей, для резервирования
на случай нарушений в централизованной электросети, для автономного производства
электроэнергии при недоступности электросети, для совместного производства тепловой и
электрической энергии (когенерация).
Микротурбины используют предприятия нефтяной и газовой промышленности (добыча,
переработка), городские коммунальные службы, торговые и сервисные центры. Они
установлены в спортивных сооружениях (стадионы, бассейны, корты), местах отдыха и
развлечений (выставки, гостиницы и т.п.).
Приведем несколько примеров практического использования микротурбин Capstone.
©Компания ТехноКластер/КТК
5
В 1999 году компании "ПанКанадиан Петролеум Лтд." закупила семь микротурбин
модели С30 для промышленной эксплуатации на попутном нефтяном газе на своих
промыслах в Канаде, провинция Альберта. Микрогенераторные установки обеспечивают
электроэнергией
собственные
нужды
добывающих
скважин,
питая
насосы и другое
обрудование.
В декабре 2002 года компания Capstone запустила в промышленную эксплуатацию первые
семь микротурбинных генераторов С30, установленных на пунктах телеметрии и катодной
защиты. Они расположены вдоль газопровода GASYRG, Боливия, который соединяет города
Якуиба (Yacuiba) и Рио Гранде (Rio Grande). Через газопровод прокачивается до 20
миллионов кубических метров природного газа в сутки, 50% которого идет на экспорт в
Бразилию.
Монтаж семи микротурбин является первым этапом проекта компании SAINCO
(дочерняя структура компании Petrobras) по оптимизации энергоснабжения объектов
инфраструктуры
газовой
промышленности.
Турбогенераторы
установлены
на
участке
газопровода длиной 80 км.
Микротурбины "Capstone" снабжают электроэнергией газокомпрессорную станцию
Арделл (Ardell Compressor Station), принадлежащую компании Доминион и расположенную
на северо-востоке США. Использование микротурбин в качестве основного источника
электроэнергии в режиме непрерывной генерации позволило отказаться от 1.3 млн. долл.
инвестиций в расширение сетевой инфраструктуры, сократить операционные расходы на
50% и минимизировать эксплуатационные затраты по сравнению с генераторами на
поршневых двигателях.
Кондоминиум
в
городе
Калгари,
размещенный
в
двух
зданиях,
состоящих
из
двенадцати блоков, установил когенерационную в составе одной микротурбины С30 и
теплообменника. Первый этаж зданий занят магазинами (офисами), второй этаж — жилой.
Энергосистема является основным источником электрической энергии и тепла (горячая
вода, обогрев помещений по технологии "горячий пол"). При этом электрическая сеть
покрывает пиковые нагрузки. Для сглаживания пиков по теплу установлен котел с баком
©Компания ТехноКластер/КТК
6
аккумулятором. Система обеспечивает полностью автономное энергоснабжение домов. В
качестве топлива используется природный магистральный газ.
Для снижения пиковых нагрузок на бойлерную и оптимизации операционных расходов
гостиница "Холидей Инн" (309 комнат) в городе Фарго установила микротурбинную
энергоустановку
Capstone
C30,
укомплектованную
теплообменником
Unifin,
которая
обеспечивает потребность различных служб гостиницы в горячей воде в период пиковых
нагрузок и является резервным источником электроэнергии в случае аварии центральной
сети.
Рон Гитер второй год подряд является призером номинации "Цветовод года" в
Великобритании. Он установил у себя в тепличном хозяйстве, расположенном в графстве
Саффолк, когенерационную систему, которая состоит из двух микротурбин С60 и одного
теплообменника Unifin (производит 120 кВт электрической и 200 кВт тепловой энергии
соответственно), подключенных параллельно с сетью. Применение микротурбин позволило
не только снизить расходы на энергообеспечение, но и достичь практически 100%
производительности системы за счет использования CO2, который содержится в выхлопе
микротурбин, на подкормку растений.
Компания Capstone совместно с "Натургаз Фин" установила когенерационную систему в
составе одной микротурбины С60 и теплообменника на сыроваренной фабрике в Дании.
Микротурбина
установлена
на
открытой
площадке,
на
крыше
здания
фабрики.
Теплообменник размещен прямо на выхлопной трубе и используется для производства
горячей воды для производственных нужд. В качестве топлива используется магистральный
природный газ.
В заключение отметим, что микротурбины Capstone прошли серьезную международную
сертификацию.
В
России
микротурбины Capstone
получили сертификат
соответствия
Госстандарта, разрешение Госгортехнадзора на применение, Санитарно-эпидемилогическое
заключение
на
соответствие
правилам
и
нормативам,
заключение
Государственной
противопожарной службы по пожарной безопасности, Протокол на соответствие параметрам
электромагнитной совместимости, сертификат соответствия Системы сертификации "Связь"
на применение для электропитания оборудования связи.
На сегодня в Мире уже установлено более 4000 микротурбинных установок разных
модификаций в линейке единичных мощностей от 30 до 1000 кВт ( модельный ряд микротурбин
представлен мощностями 30, 65, 200, 600, 800 и 1000 {кВт}), из них только в России более 400
микротурбин успешно работают в различных сферах реальной экономики, и не один год...
©Компания ТехноКластер/КТК
7